JP4869556B2 - Apparatus and method for generating and controlling an optical trap that manipulates a plurality of microparticles - Google Patents

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Abstract

The present invention relates generally to an apparatus and method to generate and control optical traps ( 1000, 1002 ) for manipulation of small particles. An upstream modification of an input laser beam ( 12, 22 ) provides a beam with a square or other preselected, cross section of intensity which can be used to form optical traps ( 1000, 1002 ) with a corresponding cross section of intensity.

Description

本出願の全体に渡って、さまざまな刊行物が参照される。これらの刊行物の開示内容は、全体として、本発明が関する現状技術をより十分に記載する目的で、参照することにより本願に援用される。   Throughout this application, various publications are referenced. The disclosures of these publications are incorporated herein by reference in their entirety for the purpose of more fully describing the state of the art to which this invention pertains.

本発明は、一般に、複数の光トラップに関する。特に本発明は、複数の微小粒子をマニピュレートする複数の光トラップを形成する為に光の勾配力を適用した１つの装置、システム、および方法に関する。   The present invention generally relates to a plurality of optical traps. In particular, the present invention relates to an apparatus, system, and method that applies a light gradient force to form a plurality of light traps that manipulate a plurality of microparticles.

１つの光ピンセットとは、周囲の媒質より高い比誘電率を有する複数の粒子をマニピュレートする為に、集束した光ビームの勾配力を利用する１つの光ツールである。エネルギーを最小にする為に、そのような複数の粒子は、電界が最も強い場所へ移動しようとする。運動量に関して述べると、集束した光ビームは光圧を生成し、１つの粒子の傍で、光の吸収や、反射や、回折や、屈折による複数の微小な力を生み出す。光圧によって生成される力は非常に微小であり、例えば１０ｍＷで動作するダイオードでポンピングされた１つのＮｄ：ＹＡＧレーザ光源では、わずかに数ピコニュートンの力を生じるのみである。しかしながら、数ピコニュートンの力は、複数の微小粒子をマニピュレートするのには十分である。   An optical tweezer is an optical tool that uses the gradient force of a focused light beam to manipulate a plurality of particles having a higher dielectric constant than the surrounding medium. To minimize energy, such particles tend to move to places where the electric field is strongest. In terms of momentum, the focused light beam generates light pressure, which produces multiple micro forces by light absorption, reflection, diffraction, and refraction near one particle. The force generated by the light pressure is very small, for example a single Nd: YAG laser source pumped with a diode operating at 10 mW produces only a few piconewtons of force. However, a force of a few piconewtons is sufficient to manipulate multiple microparticles.

微小粒子をマニピュレートする為に使用することができる他の複数の光ツールは、複数の光渦、複数のオプティカル・ボトル、複数の光回転子、および複数の光ケージを含むが、これらに限定されるわけではない。１つの光渦（ｏｐｔｉｃａｌ ｖｏｒｔｅｘ）は、使用については１つの光ピンセットと同様であるが、異なる１つの原理で動作する。   Other optical tools that can be used to manipulate microparticles include, but are not limited to, multiple optical vortices, multiple optical bottles, multiple optical rotators, and multiple optical cages. I don't mean. A single optical vortex is similar in use to a single optical tweezer, but operates on a different principle.

１つの光渦は、ゼロ電界の１つの領域を囲う１つの勾配を生成し、このゼロ電界の領域は、周囲の媒質よりも低い複数の比誘電率を有しているか、又は、反射しやすい複数の粒子をマニピュレートするのに役立ち、或いは、１つの光ピンセットでは反発されてしまう別の型の複数の粒子をマニピュレートするのに役立つ。エネルギーを最小にする為に、そのような粒子は、電界が最も弱い場所、即ち、適切に成形された１つのレーザビームの焦点におけるゼロ電界領域へと移動しようとする。   An optical vortex creates a gradient that surrounds a region of zero electric field, which has a plurality of lower dielectric constants or is more reflective than the surrounding medium. Useful for manipulating multiple particles, or for manipulating different types of particles that would be repelled by one optical tweezer. In order to minimize energy, such particles attempt to move to the place where the electric field is weakest, i.e., the zero electric field region at the focus of one appropriately shaped laser beam.

光渦は、１つのドーナツ（トロイド）の穴とよく似た、１つのゼロ電界領域を備える。光学的勾配は放射状であり、ドーナツの円周部で最も強い電界を有する。光渦は、ドーナツの穴の範囲内に１つの微小粒子を拘束する。この拘束は、ゼロ電界の線に沿って微小粒子を超えて、渦を滑らせることで達成される。   The optical vortex comprises a single zero electric field region, much like a donut (toroid) hole. The optical gradient is radial and has the strongest electric field at the circumference of the donut. The optical vortex constrains one microparticle within the donut hole. This constraint is achieved by sliding the vortex over the microparticles along the zero electric field line.

オプティカル・ボトルは、１つのゼロ電界を焦点のみにおいて有し、かつ渦の一端において１つの非ゼロ電界領域を有するという点で、１つの光渦とは異なる。１つのオプティカル・ボトルは、１つの光渦や複数の光ピンセットでトラップするには余りに小さすぎるか、或いは吸収性がありすぎる複数の原子や複数のナノクラスターをトラップするのに役立つ。（非特許文献１）。   An optical bottle differs from a single optical vortex in that it has one zero electric field at the focus only and one non-zero electric field region at one end of the vortex. An optical bottle is useful for trapping atoms and nanoclusters that are too small or too absorbing to be trapped by a single optical vortex or multiple optical tweezers. (Non-Patent Document 1).

光回転子は、複数の対象物をトラップする複数のスパイラル・アームの１つのパターンを提供する。このパターンを変えることで、トラップされた複数の対象物を回転させる。（非特許文献２）。このクラスのツールは、複数の非球状粒子をマニピュレートし、そして、ＭＥＭＳ装置やナノマシーンを駆動するのに役立ってもよい。   The optical rotator provides a pattern of multiple spiral arms that trap multiple objects. By changing this pattern, a plurality of trapped objects are rotated. (Non-patent document 2). This class of tools may be useful for manipulating multiple non-spherical particles and driving MEMS devices and nanomachines.

光ケージ（ニール、特許文献１）は、概略的には、巨視的な光渦の一種である。１つの光ケージは、周囲の媒質よりも低い複数の比誘電率によりトラップされるには大き過ぎるか、或いは反射しすぎる１つの粒子を囲む為に、複数の光ピンセットから成る時間平均された１つのリングを形成する。光渦が１つのドーナツと似ているならば、光ケージは、ゼリーで満たされた１つのドーナツと似ている。（渦の為の）ドーナツの穴がゼロ電界領域であるのに対し、ゼリーで満たされた部分は、電界が弱められた１つの領域である。全体的に述べると、ドーナツを形成する複数の光ピンセットにおける複数の勾配力は、周囲の媒体よりも低い１つの比誘電率を有する１つの粒子を、複数の光ピンセットの間に位置する、より暗い領域として認識されてもよいゼリーで満たされた部分に向けて、「押す」。しかしながら、１つの渦とは異なり、非ゼロ電界領域が作り出される。１つの光渦は、使用の点で１つの光ピンセットと同様であるが、正反対の１つの原理で動作する。   An optical cage (Neil, Patent Document 1) is roughly a kind of macroscopic optical vortex. A light cage is time-averaged of a plurality of optical tweezers to surround a particle that is too large to be trapped or reflected too much by a plurality of dielectric constants lower than the surrounding medium. Form one ring. If the light vortex resembles a donut, the light cage resembles a jelly filled donut. The donut hole (for vortices) is the zero electric field region, whereas the jelly filled part is one region where the electric field is weakened. Generally speaking, the multiple gradient forces in the multiple optical tweezers forming the donuts cause one particle having one lower dielectric constant than the surrounding medium to be positioned between the multiple optical tweezers. “Push” towards a jelly-filled part that may be recognized as a dark area. However, unlike a single vortex, a non-zero electric field region is created. An optical vortex is similar in use to an optical tweezer, but operates on the exact opposite principle.

複数の光トラップからなる１つのアレイを形成する為に、集光された複数の回折レーザビームを形成する１つの回折光学部材と共に単一のレーザ光ビームを使用することは、従来技術において周知である。グリアーおよびデュフレーヌに対して特許査定された特許文献２では、複数の光トラップからなる複数のアレイについて述べている。グリアーおよびデュフレーヌの特許は、入力光ビームを回折させると共に、複数の可動光トラップからなる１つのアレイを生成する為に、１つの動的な光学部材および１つの集光レンズの使用を教示する。複数の光トラップからなるアレイは、後方開口部のビーム直径において、１つの適当な形を有することによって、単一の入力ビームから形成される。具体的には、ガウス分布を持つＴＥＭ００の１つの入力レーザビームは、後方開口部の直径と略一致するビーム直径をもっていなければならない。
米国特許第５９３９７１６号明細書 米国特許第６０５５１０６号明細書 Ｊ・アールトおよびＭＪ・パジェット「高強度領域に囲まれた、暗い焦点を有するビーム生成：オプティカル・ボトル・ビーム」光学会報２５、１９１‐１９３、２０００年。 Ｌ・パターソン、ＭＰ・マクドナルド、Ｊ・アールト、Ｗ・シベット、Ｐ．Ｅ．ブライアント、そして、Ｋ・ドラキア「光学的に閉じ込められた微小粒子の回転制御」サイエンス２９２、９１２‐９１４、２００１年 It is well known in the prior art to use a single laser light beam with one diffractive optical element that forms a plurality of focused diffracted laser beams to form an array of multiple light traps. is there. U.S. Pat. No. 6,057,075, patented for Greer and Dufrene, describes a plurality of arrays of light traps. The Greer and Duflane patents teach the use of one dynamic optical member and one condenser lens to diffract the input light beam and to produce one array of multiple movable light traps. An array of optical traps is formed from a single input beam by having one suitable shape at the beam diameter of the rear aperture. Specifically, one TEM 00 input laser beam with a Gaussian distribution must have a beam diameter that approximately matches the diameter of the rear aperture.
US Pat. No. 5,939,716 US Pat. No. 6,055,106 J. Aalto and MJ. Paget, “Generating a beam with a dark focus, surrounded by high intensity regions: Optical bottle beam” Optical Bulletin 25, 191-193, 2000. L. Patterson, MP. McDonald, J. Aalto, W. Sibet, P. E. Bryant and K. Drakia "Rotational control of optically confined microparticles" Science 292, 912-914, 2001

ガウス分布を持つ型ＴＥＭ００１つの入力レーザビームが、後方開口部の直径と略一致するビーム直径を有するという１つの限定は、１つの断面図（図１）に示されているように、ガウス分布を持つ型ＴＥＭ００の１つのビームが、その外縁においては、非常に弱い強度を有しているということである。その結果として生じる複数の光トラップは、同じ形の１つの強度断面を有することとなる。 One limitation that a single input laser beam of type TEM 00 with a Gaussian distribution has a beam diameter that approximately matches the diameter of the rear opening is Gaussian as shown in one cross-sectional view (FIG. 1). One beam of type TEM 00 with distribution has a very weak intensity at its outer edge. The resulting multiple optical traps will have one intensity cross section of the same shape.

従って、１つの入力ビームによって後方開口部を満たさせ、その外縁でより大きな強度を持つ複数の光トラップを生成させるという必要性が存在する。本発明はこれらの必要性およびその他の必要性を満足し、更に関連する複数の利点を提供する。   Therefore, there is a need to fill the back opening with one input beam and generate multiple optical traps with greater intensity at the outer edge. The present invention satisfies these and other needs and provides further related advantages.

本発明は、複数の光トラップからなる１つのアレイを生成し、そして制御する為に、複数の勾配力を用いた斬新な方法、およびシステムを提供する。   The present invention provides a novel method and system using multiple gradient forces to generate and control an array of multiple optical traps.

本発明は、複数の光トラップからなる１つのアレイを生成し、モニタリングし、そして制御する為に、１つの斬新で改良された方法、１つのシステム、および１つの装置を提供する。複数の光トラップは、個別に、或いは一斉に、複数の微小粒子をマニピュレートすることができる。   The present invention provides one novel and improved method, one system, and one apparatus for generating, monitoring and controlling an array of multiple optical traps. The plurality of optical traps can manipulate a plurality of fine particles individually or simultaneously.

本発明では、光、又はエネルギーの入力ビームにおける位相プロファイルを形成する為に１つの第１の位相パターニング光学部材を採用しており、これらの光やエネルギーは、入力光ビームを順番に複数のビームへと回折する１つの第２の位相パターニング光学部材の上流からもたらされる。   In the present invention, one first phase patterning optical member is used to form a phase profile in an input beam of light or energy, and these light and energy are transmitted to a plurality of beams in order of the input light beam. Resulting from upstream of one second phase patterning optical member that diffracts into the.

上流の位相パターニング光学部材を用いて入力光ビームの位相をパターン化することにより、パターン化された入力光ビームの断面は、その外縁の近傍であっても、１つの実質的に平坦な強度（図２）を有するように選択されることが可能となる。パターン化された入力光ビームにおける実質的に平坦な強度は、それぞれのビームレットへと伝達されることが可能となる。これにより、第２の位相パターニング光学部材から生成された複数のビームは、１つの集光レンズの後方開口部と一致した１つのビーム幅を有すると共に、パターン化されていない複数の入力光ビームから生成され、その外縁においてより弱い強度を有する複数の光トラップに比べて、光トラップの外縁においてより強い強度を有する複数の光トラップを生成する。   By patterning the phase of the input light beam with the upstream phase patterning optical member, the cross-section of the patterned input light beam is one substantially flat intensity (even near its outer edge). 2) can be selected. The substantially flat intensity in the patterned input light beam can be transmitted to the respective beamlet. Thereby, the plurality of beams generated from the second phase patterning optical member have one beam width corresponding to the rear opening of one condenser lens, and from the plurality of unpatterned input light beams. A plurality of optical traps are generated that have a stronger intensity at the outer edge of the optical trap as compared to a plurality of optical traps that are generated and have a lower intensity at the outer edge.

所与の１つの光トラップの位置を変化させる為に、そのトラップを形成するビームは、第２の位相パターニング光学部材のみによって１つの新しい位置へと案内され、これにより、その結果として生じる光トラップの位置を変えることができる。   In order to change the position of a given optical trap, the beam forming the trap is guided to one new position only by the second phase patterning optic, thereby resulting in the resulting optical trap The position of can be changed.

他の複数の実施形態において、第１および第２の位相パターニング光学部材は、所与の１つの光トラップの位置を変えるために共に動作してもよく、トラップを形成するビームを案内することで、これにより光トラップの位置を変化させる。   In other embodiments, the first and second phase patterning optical members may operate together to change the position of a given optical trap, by guiding the beam forming the trap. This changes the position of the optical trap.

光のアレイを選択的に生成し制御することは、例えば、光回路の設計や製造、ナノ複合材料の構成、電子部品の組立、オプトエレクトロニクス、化学的および生物的なセンサーの複数の配列、複数のホログラフィックデータストレージマトリックスの組立、回転用モータ、中規模の、或いはナノスケールのポンピング、ＭＥＭＳを駆動する為のエネルギー源や光モータ、組合せ化学の簡易化、コロイドにおける自己集合の促進、生物物質のマニピュレーション、生物物質の探索、選択された生物物質の濃縮、生物物質の性質の調査、および生物物質の試験等、様々な市販アプリケーションで役立ってよい。   Selective generation and control of optical arrays can include, for example, optical circuit design and manufacturing, nanocomposite composition, electronic component assembly, optoelectronics, multiple arrays of chemical and biological sensors, multiple Holographic data storage matrix assembly, motors for rotation, medium-scale or nano-scale pumping, energy sources and optical motors for driving MEMS, simplification of combinatorial chemistry, promotion of self-assembly in colloids, biological materials It may be useful in a variety of commercial applications, such as manipulation of biological materials, exploration of biological materials, enrichment of selected biological materials, investigation of biological material properties, and biological material testing.

光トラップアレイの活動は、光経路の中に１つのビームスプリッタを配置することにより、１つの光データストリーム（図５）を介して観察されてよい。非回折光や、散乱光や、反射光の通過を光データストリームの経路に沿って制限するために１つのフィルタを導入することで表示を強める事ができ、これにより、光データシステムにおけるビデオやその他のモニタリングを乱す可能性のあるノイズを低減することができる。   The activity of the optical trap array may be observed through one optical data stream (FIG. 5) by placing one beam splitter in the optical path. Introducing a single filter to limit the passage of non-diffracted light, scattered light, and reflected light along the path of the optical data stream can enhance the display, thereby enabling video and Noise that may disturb other monitoring can be reduced.

本発明のその他の複数の特徴や複数の利点は、後に続く記載の中で部分的に説明され、添付された図面は、本発明に係る好ましい実施形態が記述および図示されており、それは部分的に記述され図示されている場合もあるが、後に続く詳細な説明を添付図面と関連づけながら精査することで、当業者にとって明らかとなり、或いは、本発明を実施することで理解されてもよい。本発明の利点は、添付の特許請求の範囲によって特に指摘された複数の手段や複数の組合せによって、理解され達成されてよい。   Other features and advantages of the present invention will be set forth in part in the description that follows, and the accompanying drawings will describe and illustrate preferred embodiments of the invention. May be apparent to those skilled in the art upon review of the following detailed description in conjunction with the accompanying drawings, or may be understood by practicing the invention. The advantages of the invention may be realized and attained by means of the instrumentalities and combinations particularly pointed out in the appended claims.

以下の記載では便宜と参照の目的で所定の用語が使用されるが、これらは１つの限定を意図するものではなく、複数の簡単な定義が以下に示される。   In the following description, certain terms are used for convenience and reference purposes, but these are not intended to be limiting, but a few simple definitions are given below.

Ａ．「ビームレット」とは、光を集束させたビームを導くことによって生成された集束光における１つのサブビーム、或いは、その他のエネルギー源を導くことによって生成されたその他のエネルギー源の１つのサブビームであって、例えば１つのレーザや、１つの発光ダイオードからの平行化された１つの出力が、２以上のサブビームへと回折させる媒質を通ることにより生成される。１つのビームレットの１例は、格子で回析されるより高次の１つのレーザビームである。   A. A “beamlet” is a sub-beam of focused light generated by directing a focused beam of light or a sub-beam of another energy source generated by directing another energy source. Thus, for example, one collimated output from one laser or one light emitting diode is generated by passing through a medium that diffracts into two or more sub-beams. One example of a beamlet is a higher order laser beam that is diffracted by a grating.

Ｂ．「位相プロファイル」とは、１つのビームの１つの断面における、光やその他のエネルギー源の位相である。   B. A “phase profile” is the phase of light or other energy source in one cross section of one beam.

Ｃ．「位相パターニング」とは、１つの光の集束ビームや、他のエネルギー源や、ビームレットにパターン化された１つの位相シフトを与えることであって、位相プロファイルを変化させることを含んでおり、例えば、１つの光の集束ビームや、その他のエネルギー源や、１つのビームレットに対する位相変調、モード形成、スプリッティング、集光、分岐、成形、或いは操作を含むが、これらに限定されない。   C. “Phase patterning” refers to applying a patterned phase shift to a focused beam of light, another energy source, or a beamlet, including changing the phase profile; Examples include, but are not limited to, a focused beam of light, other energy sources, and phase modulation, mode formation, splitting, focusing, branching, shaping, or manipulation of one beamlet.

複数の可動光トラップを形成する本発明の装置の好ましい実施形態（通常は１０００で示される）を図３に示す。複数の光トラップからなる１つの可動アレイは、例えば電磁波エネルギー等のエネルギーから１つの集束ビームを生成することで形成される。好ましい複数の実施形態においては、複数の電磁波は複数の光波であり、好ましくは約４００ｎｍから１０６０ｎｍの波長を有しており、より好ましくは、緑色のスペクトルの波長を有する。ビームは、図１で示されるように、例えば１つのレーザビーム１２からの平行化されたガウス分布を持つビームのように、１つの平行化された光から形成される。 A preferred embodiment of the apparatus of the present invention for forming a plurality of movable optical trap (usually indicated by 10 00) shown in FIG. One movable array composed of a plurality of optical traps is formed by generating one focused beam from energy such as electromagnetic wave energy. In preferred embodiments, the plurality of electromagnetic waves is a plurality of light waves, preferably having a wavelength of about 400 nm to 1060 nm, and more preferably having a wavelength in the green spectrum. The beam is formed from one collimated light, such as a beam with a collimated Gaussian distribution from one laser beam 12, as shown in FIG.

レーザビーム１２は、第２の位相パターニング光学部材１４の上流に位置し、集束レンズ２０における後方開口部１８における平坦表面１７と共役対を成す１つの平面１５内の１つの第１の位相パターニング光学部材１３の領域"Ａ"を貫通するように指向される。集束レンズ２０の好ましい実施形態は、１つの対物レンズである。レーザビーム１２の位相プロファイルは、１つの修正されたレーザビーム２２を形成する為に第１の位相パンターニング光学部材１３によってパターン化され、そして第２の位相パターニング光学部材１４に導かれる。第２の位相パターニング光学部材１４は、反射可能な１つの可変表面媒体２４を有しており、その領域"Ｂ"を修正レーザビーム２２が通過し、当該領域は、後方開口部１８における平坦表面１７に実質的に対向して配置される。 The laser beam 12 is located upstream of the second phase patterning optical member 14 and has one first phase patterning optics in one plane 15 that is conjugate to the flat surface 17 in the rear opening 18 of the focusing lens 20. It is directed to penetrate the region “A” of the member 13. A preferred embodiment of the focusing lens 20 is one objective lens. The phase profile of the laser beam 12 is patterned by the first phase panning optical member 13 to form one modified laser beam 22 and directed to the second phase patterning optical member 14. The second phase patterning optical member 14 has one variable surface medium 24 that can be reflected, through which region “B” the modified laser beam 22 passes, which region is a flat surface at the rear opening 18. 17 is disposed substantially opposite.

複数のビームレット２６および２８は、修正レーザビーム２２が、第２の位相パターニング光学部材を通過するにつれて形成される。ビームレット２６及び２８の位相プロファイルのそれぞれは、複数のビームレット２６および２８が形成されるにつれて選択される。すると、複数のビームレットは、後方開口部１８における領域“Ｃ”を通過し、そして、ベッセル２００１の作業焦点領域２０００における、複数の光トラップ１０００および１００２を形成する為に、集束レンズ２０によって集光される。ベッセル２００１は、実質的に透過する材料で構成され、この透過材料は、複数のビームレットの通過を許容すると共に、複数の光トラップの形成には干渉しない。   A plurality of beamlets 26 and 28 are formed as the modified laser beam 22 passes through the second phase patterning optical member. Each of the phase profiles of beamlets 26 and 28 is selected as a plurality of beamlets 26 and 28 are formed. The plurality of beamlets then passes through the region “C” in the rear opening 18 and is collected by the focusing lens 20 to form a plurality of optical traps 1000 and 1002 in the working focal region 2000 of the vessel 2001. Lighted. The vessel 2001 is made of a substantially transmissive material that allows the passage of multiple beamlets and does not interfere with the formation of multiple optical traps.

また、第２の位相パターニング光学部材は、複数のビームレットを集光する為に、集束レンズ２０と連携して機能してよい。複数のビームレットのビーム直径ｗは、後方開口部１８の直径と略一致する。第２の位相パターニング光学部材における可変表面媒体２４を変化させることにより、各ビームレットにおける位相プロファイルを選択的にパターン化する。   Further, the second phase patterning optical member may function in cooperation with the focusing lens 20 in order to collect a plurality of beamlets. The beam diameter w of the plurality of beamlets substantially matches the diameter of the rear opening 18. By varying the variable surface medium 24 in the second phase patterning optical member, the phase profile in each beamlet is selectively patterned.

作業焦点領域２０００は、複数の光トラップ１０００および１００２によって試験・測定・マニピュレートされるべき複数の粒子やその他の材料を含んだ１つの媒体が配置される領域である。   The working focal area 2000 is an area where a single medium containing a plurality of particles and other materials to be tested, measured, and manipulated by a plurality of optical traps 1000 and 1002 is disposed.

明確にする為に、２つの光トラップ１０００および１００２のみが図示されているが、第２の位相パターニング光学部材１４によって、このような複数の光トラップからなる１つのアレイを作り出すことができることが理解されるべきである。   For clarity, only two optical traps 1000 and 1002 are shown, but it is understood that the second phase patterning optical member 14 can create an array of such multiple optical traps. It should be.

レーザビーム１２の光源としては、任意の適切なレーザを使用してもよい。有効なレーザとしては、複数の固体レーザ、複数のダイオードポンプレーザ、複数のガスレーザ、複数の色素レーザ、複数のアレキサンドライトレーザ、複数の自由電子レーザ、複数のＶＣＡＥＬレーザ、複数のダイオードレーザ、複数のＴｉ−サファイアレーザ、複数のドープ型ＹＡＧレーザ、複数のドープ型ＹＬＦレーザ、複数のダイオードポンプＹＡＧレーザ、複数のフラッシュランプポンプＹＡＧレーザを含む。１０ｍＷから５Ｗの間で動作する複数のダイオードポンプＮｄ：ＹＡＧレーザが好ましい。   Any appropriate laser may be used as the light source of the laser beam 12. Effective lasers include multiple solid state lasers, multiple diode pump lasers, multiple gas lasers, multiple dye lasers, multiple alexandrite lasers, multiple free electron lasers, multiple VCAEL lasers, multiple diode lasers, multiple Ti lasers -Includes sapphire lasers, multiple doped YAG lasers, multiple doped YLF lasers, multiple diode pump YAG lasers, multiple flash lamp pump YAG lasers. A plurality of diode pumped Nd: YAG lasers operating between 10 mW and 5 W are preferred.

上流の、或いは第１の位相パターニング光学部材は、レーザビーム１２の波面に、少なくとも正方形断面（図２参照）を与える為に使用され、その結果として、実質的に一様な強度を有する１つの正方形断面を備えた１つの修正レーザビーム２２となる。従って、修正レーザビームのビーム直径ｗが後方開口部１８の直径と略一致した場合、修正レーザビーム２２の外縁はより強い強度を有し、この場合、入力ビーム１２の外縁、および対応する複数の光トラップ１０００および１００２は、それらの外縁において、対応する１つの強度を持つ。また、第１の位相パターニング光学部材は、本システムのパラメータに従って、複数の異なる選択され波面を与えてもよく、この場合、外縁において最も強度が強い１つの波面を有してよい。   An upstream or first phase patterning optical member is used to provide at least a square cross-section (see FIG. 2) to the wavefront of the laser beam 12, resulting in one substantially uniform intensity. There is one modified laser beam 22 with a square cross section. Thus, if the beam diameter w of the modified laser beam substantially matches the diameter of the rear opening 18, the outer edge of the modified laser beam 22 has a stronger intensity, in which case the outer edge of the input beam 12 and the corresponding plurality of The light traps 1000 and 1002 have a corresponding intensity at their outer edges. The first phase patterning optical member may also provide a plurality of different selected wavefronts according to the parameters of the system, in which case it may have one wavefront with the strongest intensity at the outer edge.

図３〜５に示した複数の実施形態において、各光トラップ１０００および１００２の種類、順序、および位置は、各ビームレットの位相プロファイルをパターン化するために使用される第２の位相パターニング光学部材１４の可変表面媒体２４で符号化されるホログラムによって選択的に制御されてよい。各トラップの運動が、定位置での回転であるか非定位置での回転であるか、２次元か３次元か、連続であるか段階的であるか、を選択的に制御可能であることは、本発明における１つの重要な特徴である。本実施形態におけるこの制御は、少なくとも第２の位相パターニング光学部材１４の表面媒体２４で形成されるホログラムを変化させることで達成される。 3-5 , the type, order, and position of each optical trap 1000 and 1002 is a second phase patterning optical member used to pattern the phase profile of each beamlet. It may be selectively controlled by holograms encoded with 14 variable surface media 24. It is possible to selectively control whether the movement of each trap is rotation in a fixed position or rotation in a non-fixed position, two-dimensional or three-dimensional, continuous or stepwise. Is one important feature of the present invention. This control in the present embodiment is achieved by changing at least the hologram formed by the surface medium 24 of the second phase patterning optical member 14.

更に、望ましい光トラップの型に従って、第２の位相パターニング光学部材１６によってパターン化された位相は、複数の光ピンセット、複数の光渦、複数のオプティカル・ボトル、複数の光回転子、複数の光ケージおよび異なるクラスの複数の組み合わせを含んだ、異なる光トラップのクラスを形成する為に、波面形成、位相シフト、操作、分岐、および集光を含んでよい。   Further, in accordance with the desired type of optical trap, the phase patterned by the second phase patterning optical member 16 may include a plurality of optical tweezers, a plurality of optical vortices, a plurality of optical bottles, a plurality of optical rotators, a plurality of light Waveform formation, phase shifting, manipulation, branching, and collection may be included to form different optical trap classes, including multiple combinations of cages and different classes.

複数の適切な位相パターニング光学部材は、透過部材、或いは反射部材として特徴づけられ、これは、それらがどのようにして光の集束ビームを導くかに依存する。図３、４、および５に示すように、透過型の位相パターニング光学部材は、レーザビーム１２が通過することを許容し、或いは、図４の場合では、レーザビーム１２および修正レーザビーム２２が通過することを許容する。図３および５に示すように、反射型の位相パターニング光学部材は、修正レーザビーム２２を反射する。複数の図の中で、透過型の部材として図示されてはいるが、上流の、或いは第１の位相パターニング光学部材は、本発明の範囲から逸脱しない範囲内で、反射型に換えてよい。   A plurality of suitable phase patterning optical members are characterized as transmissive members or reflective members, depending on how they guide the focused beam of light. As shown in FIGS. 3, 4, and 5, the transmissive phase patterning optical member allows the laser beam 12 to pass, or in the case of FIG. 4, the laser beam 12 and the modified laser beam 22 pass. Allow to do. As shown in FIGS. 3 and 5, the reflective phase patterning optical member reflects the modified laser beam 22. Although shown as a transmissive member in the figures, the upstream or first phase patterning optical member may be replaced with a reflective type without departing from the scope of the present invention.

２つの一般的なグループの範囲内において、１つの位相パターニング光学部材は、静的な媒質、又は動的な媒質から形成されてよい。複数の静的な位相パターニング光学部材の複数の適切な実施例では、固定された１つの表面を有する複数の回折光学部材を有しており、これは、例えば複数の格子であって、複数の回折格子、複数の反射型格子、複数の透過型格子、複数のホログラム、複数のステンシル、複数の光形成ホログラフィックフィルタ、複数のポリクロマティックホログラム、複数のレンズ、複数の鏡、複数のプリズム、複数の波長板、およびこれらと同等のものを含む。 Within the two general groups, one phase patterning optical member may be formed from a static medium or a dynamic medium. Suitable embodiments of the plurality of static phase patterning optical members include a plurality of diffractive optical members having a single fixed surface, eg, a plurality of gratings, Diffraction gratings, multiple reflection gratings, multiple transmission gratings, multiple holograms, multiple stencils, multiple light-forming holographic filters, multiple polychromatic holograms, multiple lenses, multiple mirrors, multiple prisms, multiple Wavelength plates, and the like.

静的な位相パターニング光学部材は、複数の異なる領域を有してよく、各領域は、複数のビームレットに、１つの異なる位相プロファイルを与えるように構成される。このような複数の実施形態においては、静的な位相パターニング光学部材の表面は、複数のビームレットに与えられた所望の複数の特性を変化させる為の、つまりは、結果として生じる複数のビームレットの少なくとも１つにおける望ましい位相プロファイルを変化させる為の適切な領域を選択する為に、レーザビームに対してその表面を相対的に動かすことで変化させることが可能である。   A static phase patterning optical member may have a plurality of different regions, each region configured to provide a different phase profile to a plurality of beamlets. In such embodiments, the surface of the static phase patterning optical member is used to change the desired properties imparted to the plurality of beamlets, ie, the resulting plurality of beamlets. In order to select an appropriate region for changing the desired phase profile in at least one of the two, it can be varied by moving its surface relative to the laser beam.

その機能が時間に依存するという側面を備える複数の動的な位相パターニング光学部材についての適切な複数の実施例では、コンピュータ生成された複数の可変回折パターン、複数の可変位相シフト材料、複数の可変液晶位相シフトアレイ、複数のマイクロミラーアレイ、複数のピストンモード・マイクロミラーアレイ、複数の空間光変調器、複数の電気光学偏向器、複数の音響光学変調器、複数の変形ミラー、および複数の反射型ＭＥＭＳアレイ、およびこれらの類似物を含む。１つの動的な位相パターニング光学部材において、その表面の複数の特徴は、先に述べたように１つのホログラムを形成する為に符号化されてよく、そして、そのホログラムの中で１つの変化を生じさせる為に、例えば１つのコンピュータによって変化させられてよく、これにより、複数のビームレットの個数や、少なくとも１つのビームレットの位相プロファイルや、少なくとも１つのビームレットの位置に影響を与えることができる。   In suitable embodiments for a plurality of dynamic phase patterning optical members with the aspect that their function is time dependent, a plurality of computer generated variable diffraction patterns, a plurality of variable phase shift materials, a plurality of variable Liquid crystal phase shift array, multiple micromirror arrays, multiple piston mode micromirror arrays, multiple spatial light modulators, multiple electro-optic deflectors, multiple acousto-optic modulators, multiple deformation mirrors, and multiple reflections Type MEMS arrays, and the like. In one dynamic phase patterning optic, features on its surface may be encoded to form one hologram as described above, and one change in the hologram For example, it can be changed by a single computer to affect the number of beamlets, the phase profile of at least one beamlet, and the position of at least one beamlet. it can.

好ましい複数の動的な位相パターニング光学部材は、例えば日本の浜松ホトニクス社によって製造された「ＰＡＬ−ＳＬＭシリーズＸ７６６５」や、コロラド州ラファイエットのボールダー・ノンリニア・システムズ社により製造された「ＳＬＭ５１２ ＳＡ７」および「ＳＬＭ５１２ ＳＡ１５」等の、位相のみを変調する複数の空間光変調器を含む。これらの符号化が可能な複数の位相パターン光学部材は、コンピュータで制御可能であって、かつ多機能であり、その結果、修正レーザビーム１５を回折することで、複数のビームレット２６および２８を生成することができ、そして、所望の位相プロファイル（特性）を、結果として生じる複数のビームレットへ与えることができる。   Preferred dynamic phase patterning optical members include, for example, “PAL-SLM Series X7665” manufactured by Hamamatsu Photonics, Japan, and “SLM512 SA7” manufactured by Boulder Nonlinear Systems, Inc., Lafayette, Colorado. And a plurality of spatial light modulators that modulate only the phase, such as “SLM512 SA15”. The plurality of phase pattern optical members that can be encoded are computer-controllable and multifunctional, so that the modified laser beam 15 is diffracted into a plurality of beamlets 26 and 28. Can be generated and the desired phase profile (characteristic) can be imparted to the resulting plurality of beamlets.

図４に示された実施形態に着目すると、制御可能な複数の光トラップ４２および４４は、レーザビーム１２を第１の位相パターニング光学部材１３の領域“Ａ”を通過させることで形成され、この光学部材は、後方開口部１８の平坦表面１７に対向して、平面４６に実質的に配置され、この第１の位相パターン光学部材を通して修正レーザビーム２２を形成する為にレーザビーム１２の位相プロファイルがパターン化され、第２の位相パターニング光学部材４８に導かれる。   Focusing on the embodiment shown in FIG. 4, a plurality of controllable optical traps 42 and 44 are formed by passing the laser beam 12 through the region “A” of the first phase patterning optical member 13, The optical member is disposed substantially in the plane 46 opposite the flat surface 17 of the rear opening 18 and the phase profile of the laser beam 12 to form the modified laser beam 22 through this first phase pattern optical member. Are patterned and guided to the second phase patterning optical member 48.

第２の位相パターニング光学部材４８は、その領域“Ｂ”において修正レーザビーム２２が通過するべき１つの透過型の可変表面媒体５０を有しており、この領域は、後方開口部１８における平坦表面１７に実質的に対向して配置される。修正レーザビーム２２が第２の位相パターニング光学部材４８を通過する場合に、複数のビームレット５２および５４が形成される。複数のビームレットが形成される場合に、複数のビームレット５２および５４の各位相プロファイルが選択される。この場合、複数のビームレットは、後方開口部１８の領域“Ｃ”を通過し、そして、作業焦点領域２０００において複数の光トラップ４２および４４を形成する為に、集束レンズ２０によって集光される。修正レーザビーム２２のビーム直径ｗは、後方開口部１８の直径と略一致する。第２の位相パターニング光学部材における可変表面媒体５０を変化させることで、各ビームレットの位相プロファイルを選択的にパターン化する。   The second phase patterning optical member 48 has one transmissive variable surface medium 50 through which the modified laser beam 22 is to pass in that region “B”, which region is a flat surface at the rear opening 18. 17 is disposed substantially opposite. When the modified laser beam 22 passes through the second phase patterning optical member 48, a plurality of beamlets 52 and 54 are formed. When multiple beamlets are formed, each phase profile of the multiple beamlets 52 and 54 is selected. In this case, the plurality of beamlets pass through the region “C” of the rear opening 18 and are collected by the focusing lens 20 to form a plurality of light traps 42 and 44 in the working focal region 2000. . The beam diameter w of the modified laser beam 22 substantially matches the diameter of the rear opening 18. By changing the variable surface medium 50 in the second phase patterning optical member, the phase profile of each beamlet is selectively patterned.

明確にするため、２つの光トラップ４２および４４のみが図示されているが、第２の位相パターニング光学部材４８によって、このような複数の光トラップからなる１つのアレイを作り出すことができることが、理解されるべきである。   For clarity, only two optical traps 42 and 44 are shown, but it is understood that the second phase patterning optical member 48 can create an array of such multiple optical traps. It should be.

図５に示す実施形態は、ある場合においては、複数の付加的な伝達光学部材を使用し、ビームレットのミスアラインメントを最小化することができる。複数の伝達光学部材は、複数のビームレット６２および６４が、反射型の第２の位相パターニング光学部材から離れて生成された場合、或いは、集束レンズの後方で光トラップ６６および６８の活動の観察を許容する１つのデータストリームが望まれる場合に、特に役立ってよい。   The embodiment shown in FIG. 5 may use multiple additional transmission optics in some cases to minimize beamlet misalignment. A plurality of transfer optics is used to observe the activity of the light traps 66 and 68 when a plurality of beamlets 62 and 64 are generated away from the reflective second phase patterning optics, or behind the focusing lens. May be particularly useful when one data stream that allows for

従来の１つのテレスコープシステム７０は、第２位相パターニング光学部材１４と１つのビームスプリッタ７２との間に配置される。ビームスプリッタ７２は、１つのダイクロイックミラー、１つのフォトニックバンドギャップミラー、１つの全方位ミラー、或いは他の類似のデバイスから作成される。ビームスプリッタ７２は、複数の光トラップ（ビームレット６２および６４）を形成する為に使用される光の波長を反射し、そして、例えば集束レンズ２０の上の照明源７６によって提供される画像照明７４等の、他の複数の波長を透過する。ビームスプリッタ７２から反射された光の一部は、これは複数の光トラップを形成する為に使用されるのであるが、この場合、集束レンズ２０の後方開口部１８の領域“Ｃ”を通過させられる。   One conventional telescope system 70 is disposed between the second phase patterning optical member 14 and one beam splitter 72. Beam splitter 72 is made from one dichroic mirror, one photonic bandgap mirror, one omnidirectional mirror, or other similar device. The beam splitter 72 reflects the wavelength of light used to form a plurality of light traps (beamlets 62 and 64) and image illumination 74 provided, for example, by an illumination source 76 on the focusing lens 20. And so on. A portion of the light reflected from the beam splitter 72 is used to form a plurality of light traps, in this case passing through the region “C” of the rear aperture 18 of the focusing lens 20. It is done.

画像照明７４は、集束レンズの光軸に沿って作業領域２０００を通過し、１つの光トラップによって含まれる１つの微小粒子の配置および位置に由来する１以上のビームレットの位相プロファイルおよび位置に相当する１つの光データストリーム７８を形成する。 Image illumination 74, along the optical axis of the focusing lens through the working area 200 0, the phase profile and the position of one or more beamlets from the arrangement and position of one of the microparticles contained by a single optical traps One corresponding optical data stream 78 is formed.

例えば１つの偏光部材や１つのバンドパス部材である１つの光フィルタ部材は、光データストリームの軸に沿って通過する反射レーザ光、散乱レーザ光、或いは非回折レーザ光の総量を減少させる為に、光データストリーム７８の経路の範囲内に配置される。フィルタ部材は、予め選択された一つ以上の波長を除外し、ある幾つかの実施形態においては、光データストリーム７８において予め選択された１つの波長以外の全ての波長を除外する。 For example, one polarizing member and one optical filter member is a single band-pass member, the reflected laser beam passing along the axis of the optical data stream, the scattered laser beam, or for reducing the total amount of non-diffracted laser light Are arranged within the path of the optical data stream 78. Filter member excludes one or more wavelengths that are pre-selected, is in some embodiments, excluded in advance all wavelengths other than the selected one wavelength in the optical data stream 78.

すると、光データストリーム７８は、オペレータの目視、分光器、および／又は、ビデオモニタリングによって表示され、１つのビデオ信号へと変換され、監視され、或いは分析されることが可能となる。また光データストリーム７８は、強度を監視する為に１つの光検出器によって処理されてもよく、或いは、光データストリームを１つのコンピュータの使用に適合した１つのデジタルデータストリームへと変換する任意の適切なデバイスによって処理されてもよい。   The optical data stream 78 can then be displayed by the operator's visual, spectroscopic, and / or video monitoring, converted into a single video signal, monitored, or analyzed. The optical data stream 78 may also be processed by a single photodetector to monitor intensity, or any optical data stream that converts the optical data stream into a single digital data stream adapted for use by a single computer. It may be processed by a suitable device.

複数の微小粒子を閉じ込める為に、一人のオペレータおよび／またはコンピュータは、選択された１つの微小粒子を獲得してその粒子をトラップする為に、光トラップのそれぞれの運動を導くように第２位相パターニング部材１４を調整する。含有される複数の微小粒子を有する複数の光トラップがその後構成および再構成される。光データストリームを用いることで、１つ以上のトラップされた微小粒子の位置と種類は、ビデオカメラ、スペクトル、或いは１つの光データストリームを介して監視されることが可能となり、これによって、複数のプローブの選択をコンピュータ制御する事と、複数の光トラップによって含まれる複数の微小粒子の型を調整するのに役立つ複数の光トラップに関する情報を生成する事とが可能になる。位相パターニング光部材を符号化することで生じるそれぞれの光トラップの予め定められた運動に基づいて、その運動を追跡することができる。更には、１つのコンピュータは、それぞれの光トラップに含まれる各プローブの記録を維持する為に使用されてよい。   In order to confine a plurality of microparticles, a single operator and / or computer may select a second phase to direct each motion of the optical trap to acquire a selected microparticle and trap the particle. The patterning member 14 is adjusted. A plurality of light traps having a plurality of contained microparticles are then constructed and reconfigured. Using an optical data stream, the location and type of one or more trapped microparticles can be monitored via a video camera, spectrum, or one optical data stream, thereby allowing multiple It is possible to computer control probe selection and to generate information about multiple optical traps that are useful for adjusting the types of multiple microparticles contained by multiple optical traps. Based on the predetermined movement of each optical trap that results from encoding the phase patterning optical member, the movement can be tracked. Furthermore, one computer may be used to maintain a record of each probe contained in each optical trap.

本発明の他の複数の特徴や複数の利点は、後に続く記載の中で部分的に説明され、添付された図面は、本発明に係る好ましい実施形態が記述され図示されており、それは部分的に記述され図示されている場合もあるが、後に続く詳細な説明を添付図面と関連づけながら精査することで当業者にとって明らかとなり、或いは本発明を実施することで理解されてもよい。本発明の利点は、添付の特許請求の範囲によって特に指摘された複数の手段や複数の組合せによって、理解および達成されてよい。   Other features and advantages of the present invention will be set forth in part in the description that follows, and the accompanying drawings will describe and illustrate preferred embodiments of the invention, which are in part May be apparent to those skilled in the art upon review of the following detailed description in conjunction with the accompanying drawings, or may be understood by practicing the invention. The advantages of the invention may be realized and attained by means of the instrumentalities and combinations particularly pointed out in the appended claims.

修正されていないガウス分布を持ったビームの１つの断面の強度のグラフである。Figure 6 is a graph of the intensity of one cross section of a beam with an uncorrected Gaussian distribution. １つの正方形断面を有する、修正されたガウス分布を持った１つのビームの強度のグラフである。Figure 5 is a graph of the intensity of one beam with a modified Gaussian distribution with one square cross section. 複数の微小粒子をマニピュレートする複数の光トラップを生成する為のシステムの好ましい１実施形態を示した図である。1 illustrates a preferred embodiment of a system for generating a plurality of optical traps that manipulate a plurality of microparticles. FIG. 複数の微小粒子をマニピュレートする複数の光トラップを生成する為のシステムにおける、相互透過型の１実施形態を示した図である。1 is a diagram showing an embodiment of a mutual transmission type in a system for generating a plurality of optical traps for manipulating a plurality of fine particles. FIG. 複数の伝達レンズで複数の微小粒子をマニピュレートする複数の光とラップを生成する為のシステムの１実施形態を示した図である。1 is a diagram illustrating one embodiment of a system for generating a plurality of lights and wraps that manipulate a plurality of microparticles with a plurality of transfer lenses. FIG.

Claims (59)

複数の光トラップを形成することにより複数の微小粒子をトラップする為の装置であって、
１つのレーザビームを受け取り、前記レーザビームの波面に、選択された１つの断面を与える１つの第１の位相パターニング光学部材と、
１つのレーザビームを受け取り、少なくとも２つのビームレットを形成する、前記第１の位相パターニング光学部材から下流にある１つの第２の位相パターニング光学部材と、
前記第２の位相パターニング光学部材から下流に配置され、１つの前方開口部および１つの後方開口部を備えた１つの集束レンズと
を備え、
前記少なくとも２つのビームレットのそれぞれの位相プロファイルは、当該複数のビームレットが前記第２の位相パターニング光学部材を通過するにつれて形成され、前記集束レンズは、前記第２の位相パターニング光学部材が複数の微小粒子を個別にマニピュレート可能な複数の光トラップを形成すべく前記複数のビームレットを集光する装置。An apparatus for trapping a plurality of microparticles by forming a plurality of optical traps,
A first phase patterning optical member that receives a laser beam and provides a selected cross-section to the wavefront of the laser beam;
A second phase patterning optical member downstream from the first phase patterning optical member that receives a laser beam and forms at least two beamlets;
A focusing lens disposed downstream from the second phase patterning optical member and having one front opening and one rear opening;
A phase profile of each of the at least two beamlets is formed as the plurality of beamlets pass through the second phase patterning optical member, and the focusing lens includes a plurality of second phase patterning optical members. An apparatus for condensing the plurality of beamlets to form a plurality of optical traps capable of individually manipulating fine particles. 前記第１の位相パターニング光学部材が、透過する部材および反射する部材より成るグループから選択される請求項１に記載の装置。  The apparatus of claim 1, wherein the first phase patterning optical member is selected from the group consisting of a transmissive member and a reflective member. 前記第１の位相パターニング光学部材が、複数の格子、複数の回折格子、複数の反射型格子、複数の透過型格子、複数のホログラム、複数のステンシル、複数の光形成用のホログラフィックフィルタ、複数のポリクロマティックホログラム、複数のレンズ、複数の鏡、複数のプリズム、および複数の波長板より成るグループから選択される請求項１または２に記載の装置。  The first phase patterning optical member includes a plurality of gratings, a plurality of diffraction gratings, a plurality of reflection gratings, a plurality of transmission gratings, a plurality of holograms, a plurality of stencils, a plurality of light forming holographic filters, a plurality of 3. The apparatus of claim 1 or 2 selected from the group consisting of: a polychromatic hologram, a plurality of lenses, a plurality of mirrors, a plurality of prisms, and a plurality of wave plates. 前記第１の位相パターニング光学部材が、コンピュータ生成された複数の可変回折パターン、複数の可変位相シフト材料、複数の可変液晶位相シフトアレイ、複数のマイクロミラーアレイ、複数のピストンモード・マイクロミラーアレイ、複数の空間光変調器、複数の電気光学偏向器、複数の音響光学変調器、複数の変形ミラー、および複数の反射型ＭＥＭＳアレイより成るグループから選択される請求項１または２に記載の装置。The first phase patterning optical member comprises a plurality of computer generated variable diffraction patterns, a plurality of variable phase shift materials, a plurality of variable liquid crystal phase shift arrays, a plurality of micromirror arrays, a plurality of piston mode micromirror arrays, The apparatus of claim 1 or 2 , selected from the group consisting of a plurality of spatial light modulators, a plurality of electro-optic deflectors, a plurality of acousto-optic modulators, a plurality of deforming mirrors, and a plurality of reflective MEMS arrays. 前記第１および第２の位相パターニング光学部材が、透過する部材および反射する部材より成るグループから選択される請求項１から４のいずれか１項に記載の装置。Wherein the first and second phase patterning optical element, according to any one of claims 1 to 4 which is selected from the group consisting of transparent members and the reflecting members. 前記第１および第２の位相パターニング光学部材の少なくとも１つが、複数の格子、複数の回折格子、複数の反射型格子、複数の透過型格子、複数のホログラム、複数のステンシル、複数の光形成ホログラフィックフィルタ、複数のポリクロマティックホログラム、複数の鏡、複数のプリズム、および複数の波長板より成るグループから選択される請求項１から５のいずれか１項に記載の装置。At least one of the first and second phase patterning optical members includes a plurality of gratings, a plurality of diffraction gratings, a plurality of reflection-type gratings, a plurality of transmission-type gratings, a plurality of holograms, a plurality of stencils, and a plurality of light-forming holo. graphics filters, a plurality of polychromatic holograms, a plurality of mirrors, a plurality of prisms, and apparatus according to any one of a plurality of claims 1-5 which is selected from the group consisting of wave plate. 前記第１および第２の位相パターニング光学部材のすくなくとも１つが、コンピュータ生成された複数の可変回折パターン、複数の可変位相シフト材料、複数の可変液晶位相シフトアレイ、複数のマイクロミラーアレイ、複数のピストンモード・マイクロミラーアレイ、複数の空間光変調器、複数の電気光学偏向器、複数の音響光学変調器、複数の変形ミラー、および複数の反射型ＭＥＭＳアレイより成るグループから選択される請求項１または２記載の装置。At least one of the first and second phase patterning optical members includes a plurality of computer generated variable diffraction patterns, a plurality of variable phase shift materials, a plurality of variable liquid crystal phase shift arrays, a plurality of micromirror arrays, and a plurality of pistons. mode micromirror array, a plurality of spatial light modulators, a plurality of electro-optic deflector, a plurality of acousto-optic modulator, according to claim 1 or is selected plurality of deformable mirror, and from the group consisting of a plurality of reflective MEMS arrays 2. The apparatus according to 2 . 前記第１の位相パターニング光学部材が、位相のみを変調する１つの空間光変調器である請求項１または２に記載の装置。Wherein the first phase patterning optical element, according to claim 1 or 2 which is one of the spatial light modulator to modulate the phase only. 前記第１および第２の位相パターニング光学部材の少なくとも１つが、位相のみを変調する１つの空間光変調器である請求項１または２に記載の装置。The apparatus according to claim 1 or 2 , wherein at least one of the first and second phase patterning optical members is a spatial light modulator that modulates only the phase. １つのレーザビームを生成する手段を更に備えた請求項１から９のいずれか１項に記載の装置。Device according to claim 1, further comprising means for generating to any one of 9 one laser beam. 前記レーザビームを生成する手段が、複数の固体レーザ、複数のダイオードポンプレーザ、複数のガスレーザ、複数の色素レーザ、複数のアレキサンドライトレーザ、複数の自由電子レーザ、複数のＶＣＳＥＬレーザ、複数のダイオードレーザ、複数のＴｉ−サファイアレーザ、複数のドープ型ＹＡＧレーザ、複数のドープ型ＹＬＦレーザ、複数のダイオードポンプＹＡＧレーザ、複数のフラッシュランプＹＡＧレーザより成るグループから選択される請求項１０に記載の装置。The means for generating the laser beam includes a plurality of solid state lasers, a plurality of diode pump lasers, a plurality of gas lasers, a plurality of dye lasers, a plurality of alexandrite lasers, a plurality of free electron lasers, a plurality of VCSEL lasers, a plurality of diode lasers, 11. The apparatus of claim 10 , selected from the group consisting of a plurality of Ti-sapphire lasers, a plurality of doped YAG lasers, a plurality of doped YLF lasers, a plurality of diode pumped YAG lasers, and a plurality of flash lamp YAG lasers. 前記集束レンズが、１つの対物レンズである請求項１から１１のいずれか１項に記載の装置。The focusing lens is, apparatus according to any one of one of claims 1 to 11 is an objective lens. 前記集束レンズの前記後方開口部に対向して配置される１つのビームスプリッタを更に備え、
これにより、複数のビームレットが前記後方開口部において導かれ、光データストリームが、前記前方開口部から前記後方開口部へ前記集束レンズの光軸に沿って通過する請求項１から１２のいずれか１項に記載の装置。A beam splitter disposed opposite the rear opening of the focusing lens;
Thus, a plurality of beamlets is directed at said rear opening, the optical data stream, any one of claims 1 to 12 which passes from the front opening along the optical axis of said focusing lens to the rear opening The apparatus according to item 1 . 前記集束レンズの光軸に沿って前記ビームスプリッタの後ろに配置された偏光部材およびバンドパス部材より成るグループから選択された１つの光フィルタ部材を更に備える請求項１３に記載の装置。14. The apparatus of claim 13 , further comprising an optical filter member selected from the group consisting of a polarizing member and a bandpass member disposed behind the beam splitter along the optical axis of the focusing lens. 前記集束レンズから上流、および前記第２の位相パターニング光学部材から下流の間に配置された、少なくとも１つのテレスコープシステムを更に備える請求項１から１４のいずれか１項に記載の装置。The upstream from focusing lens, and the second phase patterning optical element disposed between the downstream device according to any one of claims 1 to 14, further comprising at least one of the telescope system. 前記ビームスプリッタから上流に配置された１つのテレスコープシステムを更に備えた請求項１３または１４に記載の装置。15. The apparatus according to claim 13 or 14 , further comprising a telescope system disposed upstream from the beam splitter. 前記選択された断面が、正方形である請求項１から１６のいずれか１項に記載の装置。The selected cross-section, Apparatus according to any one of claims 1 to 16 square. 前記レーザビームが当該第１の位相パターニング光学部材によってパターン化されていない場合の断面よりも、前記選択された断面がその外縁においてより大きな強度を有する請求項１から１６のいずれか１項に記載の装置。Than a cross section when the laser beam is not patterned by the first phase patterning optical element, according to any one of claims 1 to 16, wherein the selected cross-section has a greater strength at its outer edge Equipment. 可動する複数の光トラップを形成することにより複数の微小粒子をトラップする為のシステムであって、
１つのレーザビームを受け取り、前記レーザビームの波面に断面を与える第１の位相パターニング光学部材と、
少なくとも１つのコンピュータと、
前記位相パターニング光学部材から１つのレーザビームを受け取る為の１つのホログラムを有し、前記コンピュータにより符号化された可変表面を有する第２の位相パターニング光学部材であって、これにより、複数の可動ビームレットが、当該第２の位相パターニング光学部材によって受け取られた１つのレーザビームから形成されることが可能な、第２の位相パターニング光学部材と、
前記動的な位相パターニング光学部材から下流に配置された、１つの前方開口部および１つの後方開口部を有する１つの対物レンズと
を備え、
これにより、前記対物レンズは、複数の微小粒子を個別にマニピュレート可能な複数の光トラップを形成すべく複数のビームレットを集光するシステム。A system for trapping multiple microparticles by forming a plurality of movable optical traps,
Receive one laser beam, a first phase patterning optical element to provide a cross-section to the wavefront of the laser beam,
At least one computer;
Wherein having one hologram for receiving one of the laser beams from the phase patterning optical element, a second phase patterning optical element having a coded variable surface by the computer, thereby, a plurality of movable beams A second phase patterning optical member capable of being formed from a single laser beam received by the second phase patterning optical member;
An objective lens disposed downstream from the dynamic phase patterning optical member and having one front opening and one rear opening;
Thereby, the objective lens collects a plurality of beamlets so as to form a plurality of optical traps capable of individually manipulating a plurality of fine particles. １つのレーザビームを生成する手段を更に備えた請求項１９に記載のシステム。The system of claim 19 further comprising means for generating a single laser beam. 前記対物レンズの後方開口部に対向して配置された１つのビームスプリッタを更に備え、
これにより、複数のビームレットが前記後方開口部において導かれ、光データストリームが、前記前方開口部から前記後方開口部へと前記対物レンズの光軸に沿って通過する請求項１９または２０に記載のシステム。Further comprising one beam splitter disposed opposite the rear opening of the objective lens;
Thus, a plurality of beamlets is directed at said rear opening, the optical data stream, according to claim 19 or 20 passes along an optical axis of said objective lens from the front opening to the rear opening System. 前記光データストリームを、１つのコンピュータの使用に適合した１つのデジタルデータストリームへと変換する為の手段を更に備える請求項２１に記載のシステム。The system of claim 21 , further comprising means for converting the optical data stream into a digital data stream adapted for use by a computer. 前記対物レンズから上流に配置された１つのテレスコープシステムを更に備えた請求項１９から２２のいずれか１項に記載のシステム。The system according to any one of claims 19 to 22, further comprising a single telescope system disposed upstream from the objective lens. 前記ビームスプリッタから上流に配置された１つのテレスコープシステムを更に備えた請求項２１または２２に記載のシステム。23. A system according to claim 21 or 22 , further comprising a telescope system located upstream from the beam splitter. １つの照明源を更に備えた請求項２２に記載のシステム。The system of claim 22 further comprising a single illumination source. 前記断面が、正方形である請求項１９から２５のいずれか１項に記載のシステム。It said cross-section, the system according to claims 19 to any one of the 25 square. 前記レーザビームが当該第１の位相パターニング光学部材によってパターン化されていない場合の断面よりも、前記断面がその外縁においてより大きな強度を有する請求項１９から２５のいずれか１項に記載のシステム。Than a cross section when the laser beam is not patterned by the first phase patterning optical element, the system according to claims 19 to any one of 25 with a greater strength the cross-section at its outer edge. 複数の微小粒子をトラップする為の方法であって、
直接的に１つの第１の位相パターニング光学部材における１つのレーザビームの波面に、１つの断面を与えることで、１つの修正されたレーザを生成する段階と、
１つの第２の位相パターニング光学部材において、前記修正されたレーザビームを導くことによって少なくとも２つのビームレットを生成する段階と、
前記レーザビームを１つの集束レンズを通して導くことにより、１つのベッセルと共に複数の光トラップを生成する段階と、
少なくとも２つの微小粒子を与える段階と、
前記複数の光トラップに前記複数の微小粒子を含む段階と
を備える方法。A method for trapping multiple microparticles,
Generating one modified laser by providing one cross section directly on the wavefront of one laser beam in one first phase patterning optical member;
Generating at least two beamlets by directing the modified laser beam in one second phase patterning optical member;
Generating a plurality of optical traps with a single vessel by directing the laser beam through a focusing lens;
Providing at least two microparticles;
Including the plurality of microparticles in the plurality of optical traps. 前記与えられた断面が、正方形である請求項２８に記載の方法。30. The method of claim 28 , wherein the given cross section is a square. 前記与えられた断面が、一様な強度を有し、その外縁において強度が最も大きい請求項２８に記載の方法。29. A method according to claim 28 , wherein the given cross-section has a uniform strength and has the greatest strength at its outer edge. 複数の光トラップで複数の微小粒子をマニピュレートする為の方法であって、
直接的に１つの第１の位相パターニング光学部材における１つのレーザビームの波面に、選択された１つの断面を与えることにより、１つの修正されたレーザを生成する段階と、
１つの第２の位相パターニング光学部材において、前記修正されたレーザビームを導くことによって少なくとも２つのビームレットを生成する段階と、
複数のビームレットを１つの集束レンズを通して導くことにより、１つのベッセルの範囲内で複数の光トラップを生成する段階と、
前記ベッセルの範囲内で少なくとも２つの微小粒子を与える段階と、
１つの光トラップの範囲内に少なくとも１つの微小粒子を含む段階と
を備える方法。A method for manipulating a plurality of microparticles with a plurality of optical traps,
Generating a modified laser by providing a selected cross-section directly on the wavefront of a laser beam in a first phase patterning optical member; and
Generating at least two beamlets by directing the modified laser beam in one second phase patterning optical member;
Generating a plurality of light traps within a vessel by directing a plurality of beamlets through a focusing lens;
Providing at least two microparticles within the vessel;
Including at least one microparticle within a single optical trap. 少なくとも１つの光トラップの位置を変化させる段階を更に備える請求項３１に記載の方法。32. The method of claim 31 , further comprising changing the position of at least one light trap. 前記複数の光トラップは、複数の光ピンセット、複数の光渦、複数のオプティカル・ボトル、複数の光回転子、或いは複数の光ゲージの少なくとも２つ以上から形成される請求項３１または３２に記載の方法。The plurality of optical traps, according to a plurality of optical tweezers, a plurality of optical vortex, a plurality of optical bottle, a plurality of light rotors or a plurality of claims 31 or 32 are formed from at least two or more light gauge, the method of. 前記選択された断面が、正方形である請求項３１から３３のいずれか１項に記載の方法。The selected cross-section, the method according to any one of claims 31 is square 33. 前記選択された断面が、一様な強度を有し、その外縁において強度が最も大きい請求項３１から３３のいずれか１項に記載の方法。The selected cross-section has a uniform intensity A method according to any one of claims 31 intensity is greatest at the outer edge 33. それぞれの光トラップの位置が選択的に制御される請求項３１から３５のいずれか１項に記載の方法。The method according to any one of claims 31 35 in which the position of each of the light trap is selectively controlled. それぞれの光トラップの運動が、１つのコンピュータによって制御される請求項３１から３６のいずれか１項に記載の方法。Exercise of the respective optical trap method according to any one of claims 31 36, which is controlled by one computer. 複数の光トラップで複数の微小粒子をマニピュレートする為の方法であって、
直接的に１つの第１の位相パターニング光学部材における１つのレーザビームの波面に、選択された１つの正方形断面を与えることにより、１つの修正されたレーザを生成する段階と、
１つの第２の位相パターニング光学部材において、前記修正されたレーザビームを導くことによって少なくとも２つのビームレットを生成する段階と、
光データストリームを与える段階と、
複数のビームレットを１つの集束レンズを通して導くことにより、１つのベッセルの範囲内で複数の光トラップを生成する段階と、
前記ベッセルの範囲内で少なくとも２つの微小粒子を与える段階と、
１つの光トラップの範囲内に少なくとも１つの微小粒子を含む段階と
を備える方法。A method for manipulating a plurality of microparticles with a plurality of optical traps,
Generating a modified laser by providing a selected square cross-section directly on the wavefront of a laser beam in a first phase patterning optical member;
Generating at least two beamlets by directing the modified laser beam in one second phase patterning optical member;
Providing an optical data stream;
Generating a plurality of light traps within a vessel by directing a plurality of beamlets through a focusing lens;
Providing at least two microparticles within the vessel;
Including at least one microparticle within a single optical trap. それぞれの光トラップの運動が、１つのコンピュータによって制御される請求項３８に記載の方法。40. The method of claim 38 , wherein the movement of each light trap is controlled by a single computer. １つのコンピュータで、前記光データストリームを受け取る段階を更に備える請求項３８に記載の方法。40. The method of claim 38 , further comprising receiving the optical data stream at one computer. １つのコンピュータで、前記光データストリームを分析する段階を更に備える請求項３８に記載の方法。40. The method of claim 38 , further comprising analyzing the optical data stream at one computer. 前記コンピュータが、前記光データストリームの前記分析に基づいて、少なくとも１つの光トラップの運動を導く請求項４１に記載の方法。42. The method of claim 41 , wherein the computer directs movement of at least one optical trap based on the analysis of the optical data stream. 前記光データストリームを１つのビデオ信号へと変換する段階を更に備える請求項３８に記載の方法。40. The method of claim 38 , further comprising converting the optical data stream into a video signal. １つのコンピュータで、前記ビデオ信号を受信する段階を更に備える請求項４３に記載の方法。44. The method of claim 43 , further comprising receiving the video signal at a computer. 前記コンピュータで、前記ビデオ信号を分析する段階を更に備える請求項４４に記載の方法。45. The method of claim 44 , further comprising analyzing the video signal at the computer. 前記ビデオ信号の前記分析に基づいて、１つ以上の光トラップの運動を導く為に、前記コンピュータを使用する段階を更に備える請求項４５に記載の方法。46. The method of claim 45 , further comprising using the computer to derive movement of one or more optical traps based on the analysis of the video signal. 前記ビデオ信号が、１つの映像を生成する為に使用される請求項４３から４６のいずれか１項に記載の方法。It said video signal A method according to any one of claims 43 46, which is used to generate one image. オペレータが前記映像を観察する段階と、
前記映像を観察する段階に基づいて、１以上の光トラップの運動を導く段階と
を更に備える請求項４７に記載の方法。An operator observing the image;
48. The method of claim 47 , further comprising directing movement of one or more light traps based on observing the image. 前記光データストリームが、分光器によって分析される請求項３８に記載の方法。40. The method of claim 38 , wherein the optical data stream is analyzed by a spectrometer. 前記分析に基づいて１つ以上の光トラップの運動を導く為に、１つのコンピュータを使用する段階を更に備える請求項４９に記載の方法。50. The method of claim 49 , further comprising using a computer to direct movement of one or more light traps based on the analysis. 前記複数の光トラップが、複数の光ピンセット、複数の光渦、複数のオプティカル・ボトル、複数の光回転子、或いは複数の光ゲージの少なくとも２つ以上から形成される請求項３８から５０のいずれか１項に記載の方法。51. Any one of claims 38 to 50 , wherein the plurality of optical traps are formed from at least two or more of a plurality of optical tweezers, a plurality of optical vortices, a plurality of optical bottles, a plurality of optical rotators, or a plurality of optical gauges. The method according to claim 1 . 前記レーザビームが当該第１の位相パターニング光学部材によってパターン化されていない場合の断面よりも、前記選択された断面がその外縁においてより大きな強度を有する請求項３８から５０のいずれか１項に記載の方法。Than a cross section when the laser beam is not patterned by the first phase patterning optical element, according to any one of 50 claims 38, wherein the selected cross-section has a greater strength at its outer edge the method of. 前記選択された断面が、一様な強度を有し、その外縁において強度が最も大きい請求項３８から５１のいずれか１項に記載の方法。The selected cross-section has a uniform intensity, the method according to any one of the greatest claim 38 strength at its outer edge 51. 前記選択された断面が、一様な強度を有し、その外縁において強度が最も大きい請求項１から１６、および１８のいずれか１項に記載の装置。The selected cross-section has a uniform intensity, apparatus according to any one of the biggest claims 1 to 16 intensity at the outer edge, and 18. 前記断面が、一様な強度を有し、その外縁において強度が最も大きい請求項１９から２５、および２７のいずれか１項に記載のシステム。It said cross section has a uniform intensity, the system according to any one of the 25 claims 19 intensity is greatest at the outer edge, and 27. 前記レーザビームが、前記第１の位相パターニング光学部材によってパターン化されていない場合の断面よりも、前記断面がその外縁においてより大きな強度を有する請求項２８、２９、３１から３４、３６、３７のいずれか１項に記載の方法。 38. The cross section of claim 28, 29 , 31 to 34 , 36, 37 , wherein the cross section has greater intensity at its outer edge than the cross section when the laser beam is not patterned by the first phase patterning optical member. The method according to any one of the above. 前記レーザビームが、前記後方開口部と一致するビーム直径を有する、請求項１から１８、および５４のいずれか１項に記載の装置。It said laser beam has a beam diameter that matches the rear opening, Apparatus according to any one of claims 1 to 18, and 54. 前記レーザビームが、前記後方開口部と一致するビーム直径を有する、請求項１９から２７、および５５のいずれか１項に記載のシステム。Said laser beam, said having a beam diameter which matches the rear opening, the system according to any one of claims 19 to 27, and 55. 前記レーザビームが、前記集束レンズの開口部と一致するビーム直径を有する、請求項２８から５３、および５６のいずれか１項に記載の方法。It said laser beam has a beam diameter that matches the opening of the focusing lens, the method according to any one of claims 28 to 53, and 56.
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